一种矸石山近自然生态系统重建方法

技术领域

本发明一种矸石山近自然生态系统重建方法，属于生态恢复领域。

背景技术

煤矸石是在成煤过程中伴生或煤层伴生的黑灰色坚硬岩石，占原煤产量的15%以上，也是我国固体废弃物的一个主要来源，由于其资源化综合利用技术还不成熟，因此大量的煤矸石仍然堆积于矸石场中。露天堆积的矸石山由于自燃、风化、淋溶等作用对周边大气、水体、生物、土壤带来了很大的环境污染，生态环境受到严重破坏，因此，煤矸石山的生态恢复成为矿区环境治理的重要任务。作为一个受损的生态系统，其恢复措施主要以生态演替理论为基础，其中最主要的目标就是植被的快速恢复与良性演替。但是在实际操作中，大家关注的主要方面是植被种类的选择、生长和演替，演替的手段是完全依赖自然演替，往往需要很长的时间达到顶级植物群落，而且在这一生态恢复过程中往往忽略了动物的作用。

近自然理论源于欧洲林业可持续经营，提出近自然林业是根据一定生态环境上潜在植被的特征，根据森林发生发展的自然规律培育健康稳定多样的混交林，使其兼具人工林和天然林的特点，同时具有生长迅速和稳定两方面的优点。后来这一“近自然”概念又被引入河西整治和水土保持领域，取得了很好的效果。

针对上述矸石山生态重建中存在的问题，引入“近自然”理论，确定合理的植物种类、结构、空间布局，并利用人工和动物的作用促进植被的快速演替，提出矸石山近自然生态系统快速重建技术，是使得矸石山综合治理获得成功，形成可持续自我更新的生态系统的重要手段。

经过对现有技术检索发现，中国专利CN101749016A公开了一种煤矸石山生态封浆阻燃和植被恢复技术，利用喷植被恢复生态浆为植物的生态提供土壤条件，喷播灌草植物种子，不仅能降低成本和用土量，便于施工，也符合生态学原理，后期的植被群落能够稳定持续，产生良好的生态效应；中国专利CN101519966公开了煤矸石山生态环境综合治理的方法，其中选用在封堵层上喷射过渡泥浆，再在过渡层上沿等高线自下而上环带式喷射槽罐类植物泥浆，逐渐全面覆盖，并进行封山管理，使植被恢复有保证；但这些专利均选取槽罐类植物作为植被恢复的先锋植物，植被恢复过程的管理也是依赖自然演替，因此要达到顶级植物群落需要很长的时间。中国专利CN102428857A公开了一种构建了阻控面源污染的河岸近自然植物群落的方法，通过合理的植物空间布局与配置，形成水平和垂直结构良好，乔灌草混交生长，既有效增加地表径流时间，促进污染物下渗、截留和吸附等过程，有效阻控了面源污染，又兼备了良好的景观美学功能；中国专利CN102742485A公开了一种构建亚热带城市近自然森林的方法，将不同种类和树龄的阔叶乔木混交，形成异龄复层的群落结构，快速构建亚热带城市近自然森林的景观，具有方法简单易行，成本低，群落结构完整，物种多样性丰富生物量高，少人为管理等多种优点。但是以上近自然治理还没有用于矸石山生态修复领域的技术。

在进一步的检索中，发现与本发明主题相同或类似的文献报道分别是关于矸石山以植被恢复为主要内容的生态重建和林业、河溪以及水土流失近自然治理方面的，还未发现矸石山近自然生态系统重建的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术上存在的上述不足，提供一种能够在植被恢复的过程中通过植物种类合理配置、引入动物和人工作用，形成系统的矸石山近自然生态系统重建。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种矸石山近自然生态系统重建方法，重建矸石山近自然生态系统演替分为三个阶段：第一个阶段3-5个月，以草本植物为主的生态系统快速重建，地表植被覆盖度大于90%；第二个阶段3-5年，通过人为干扰作用，加速从以草本植物为主的生态系统向以灌木为主的生态系统转变，最终转为以乡土乔灌草构成的森林生态系统，生物多样性和植被覆盖度增加，出现了昆虫；第三阶段3-5年后，完全依赖自然演替作用，重建的自然生态系统良性循环，食肉动物出现，形成了完整的生物链，生态系统进入自我更新状态。

所述第一阶段，首先，利用物理改良、化学改良、生物改良三种方式改善煤矸石山表层土壤结构和性质；所述的物理改良是指削坡整形后覆盖客土，采用机械及人工配合的方式进行；所述的化学改良是指通过在黄土中加入草炭土、木纤维、有机肥、保水剂和粘合剂；所述的生物改良是利用对极端生存环境条件具有耐性的固氮植物、绿肥作物、固氮微生物、菌根、真菌来改善煤矸石山表层土壤，实施方法为植生袋基质里配置或喷浆液配置；

其次，建立灌溉系统；在植物种类的选择中以乔灌草结合，乔灌以乡土树种和乡土灌木为主，适当选用经过多年引种和驯化的外来植物品种，在栽培方式上乔木采用穴栽和扦插、压枝相结合，灌木采用穴栽和扦插、压枝及远程喷播相结合，草木采用远程喷播、坡面码放生态植被袋或人工播撒。

所述的第二阶段，对草本植物进行人工刈割或放牧，以快速去除引入的草本植被，促进灌木、乔木和乡土草本植物的生长，形成以灌木为主的植物群落，通过放养蜜蜂，在乔木苗木的树冠上构筑鸟巢，为鸟类提供栖息之地，借助风力、动物等自然力量传播草木和灌木。

所述的化学改良是指坡面修整后，基质材料在坡面上喷射基质层，所述的基质层材料为木纤维1-2份、草炭土9-10份、蛭石1-2份、粘合剂0.01-0.03份、有机肥2-3份、保水剂0.1-0.3份和黄土0.1-0.3份。

所述的远程喷播包括喷射灌木种子和喷射草本种子。

所述的喷射灌木种子是指喷射以混合种子0.04-0.06份、木纤维1-2份、草炭土3-5份和蛭石0.5-0.7份配比的基质。

所述的喷射草本种子是指喷射以木纤维0.1-0.2份、粘合剂0.002-0.004份和混合种子0.04-0.06份配比的基材。

所述的生态植被袋为4层，从外到内依次为尼龙纤维层、木浆纸层、植物种子层和无纺布层。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

通过这种治理方法仅需3-5年，矸石山就形成了从草本植物为优势种的草地生态系统到以乡土灌木为主的灌木林生态系统，最终演替至以乔木和灌木为主的森林生态系统的阶段，伴随植被的演替随之而来的还有从昆虫到食肉动物的出现，形成生物多样性和物种丰富度较高的可自我更新和可持续的近自然生态系统。

在这个森林生态系统力生活着高大的乔木、低矮的灌木、草本植物，有许多鸟类在此栖息，有的鸟吃草籽，有的鸟是杂食性鸟（既吃草籽又吃昆虫），昆虫又吃植物的茎和叶，有些鼠类以植物的茎、叶、果实为食物，然而鼠又是狐、鹰和蛇的食物，鹰也捕食鸟。

经过了近自然生态系统的重建，植被覆盖度和生物多样性增加，空气质量改善，淋溶水水质变清。

具体实施方式

本发明设计一种重建矸石山近自然生态系统的方法，重建的矸石山近自然生态系统经过人工促进演替，生态演替分阶段进行，第一阶段为草本植物为优势种的草地生态系统快速恢复阶段，第二阶段为以乡土灌木为主的灌木林生态系统，第三阶段为以乔木和灌木为主的森林生态系统的阶段，即森林生态系统。

所述第一阶段，

首先，利用物理改良、化学改良、生物改良三种方式改善煤矸石山表层土壤结构和性质，满足植物生长的要求。通过在黄土中加入草炭土、木纤维、有机肥、保水剂、粘合剂等改良材料，促进土壤熟化，目标是形成接近自然状态的土壤结构。削坡、整形后覆盖客土200mm-300mm，采用机械（挖掘机、装载机）及人工配合（坡面人工整理）的方式进行。生物改良是利用对极端生存环境条件具有耐性的固氮植物（如胡枝子）、绿肥作物（如荞麦）、固氮微生物（如苜蓿根瘤菌）、菌根、真菌等来改善煤矸石山表层土壤理化性质的方法。实施方法为植生袋基质里配置或喷浆液配置。

其次，实地植被调查确定适宜的植物种类，并确定植物配置结构及栽植方式，建立灌溉系统。在植物种类的选择中以乔灌草结合为基本原则，乔灌以乡土树种和乡土灌木为主，适当选用经过多年引种和驯化的外来植物品种（以草木和灌木）为主，以快速增加生物量。在栽培方式上乔木采用穴栽和扦插、压枝相结合，灌木采用穴栽和扦插、压枝及远程喷播相结合，草木采用远程喷播、坡面码放生态植被袋或人工播撒。在栽培植物前必须建好灌溉系统保障供水，防止植物受到干旱天气的影响生长受限而达不到快速恢复大量的地上生物量的目的。

所述的第二阶段，对草本植物进行人工刈割或放牧，以快速去除引入的草本植被，促进灌木、乔木和乡土草本植物的生长，形成以灌木为主的植物群落。通过放养蜜蜂，在乔木苗木的树冠上构筑鸟巢，为鸟类提供栖息之地，借助风力、动物等自然力量传播草木和灌木。

所述第三阶段，完全去掉人工辅助措施，利用自然界的种间竞争作用，乔灌草之间会形成生物群落的垂直结构，即群落分层现象，这与光的利用有关，如森林中自上而下分别有乔木层、灌木层、草本植物层和苔藓等地被物层。这种分层结构的形成是自然选择的结果，它显著提高了植物利用环境资源的能力。上层乔木可以充分利用阳光，而树冠下被那些能够有效利用弱光的灌木多占据。穿过乔木层的光，有时仅占到达树冠的全光照的十分之一，但林下灌木层下的草本层能够利用更微弱的光，草本层往下还会生长出更耐荫的苔藓等地被物层。这样就形成了具有自我更新能力的稳定的森林生态系统。

实施例1

本实施例1是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

1、在山西西山煤电股份有限公司马兰矿选煤厂矸石山进行近自然生态系统重建。

2、通过实地调查了解到适合该地的植物种类有油松、臭椿、刺槐、山桃、黄栌、山杏、柠条、榆树、紫穗槐、皂角、沙棘、二色胡枝子、荆条、羊柴、二月兰、沙打旺、波斯菊、黑心菊、紫花苜蓿、黑麦草及高羊毛等。

采用远程喷射播种植被修复技术进行植被修复，也是山体坡面土壤改良的有效手段，通过增加土壤有机肥等，改变土壤表层特性，提供适宜植物生长的环境。可快速使山体坡面得到绿化，形成稳定的坡面植被层。在坡体表面除柔性排水渠的区域，进行远程喷射播种植被，面积为38741.87m²。技术措施为：

1）坡面清理

对坡面进行必要的修整，剔除不稳定和明显凸出的石块，利于喷播施工的实施。

2）基质材料层喷射

坡面修整后，将备好的基质材料，喷射3-5cm厚的基质层，主要基质材料及用量见下表。

 按配方配好各种基质材料，通过液力搅拌喷射机搅拌混合，均匀地喷射到修复面上。喷射基质材料前，应先在坡面喷水湿润，以利基质材料更好的与修复面结合。喷枪应与受喷面垂直，避免仰喷，注意死角部分及凸凹部分要喷满。严格控制风量、风压，保证枪口风压4500-5500pa。准确控制用水的线流量。

3）种子层喷播

喷射含灌木种子层：采用移动式液力搅拌喷射机，用鸭嘴喷枪直接喷射。在喷射好的基质上喷播2-3cm厚含有灌木种子配比的基质，这样可更好的保证种子发芽率。主要材料组成及用量见下表。

  喷射含花、草种子木纤维覆盖物：含花、草种子的纤维浆覆盖层以特制木纤维喷播覆盖物为基础，在完成喷射播种的同时能在作业面表面形成一个网状纤维覆盖保护层，既有利于植物种子的萌芽生长，又可以减缓水分蒸发、减少雨水侵蚀。

花、草种子采用木纤维浆液力搅拌喷射播种工艺，采用移动式液力搅拌喷射机，用鸭嘴喷枪直接喷射，主要材料组成及用量见下表：

4）无纺布保护

从植物种子发芽前到生长发旺前的管理叫做苗期管理阶段，苗期管理主要内容是灌溉和无纺布保护，目的主要是提高种子发芽率，加快苗木生长速率。

铺设无纺布：在完成远程喷射播种植被修复技术施工后用无纺布完全覆盖，平均每平方米需铺设1.2m²无纺布，用钢丝马丁固定接缝、周边及中间，防止风力损害。

平台植被恢复总面积为5800m²，通过基质材料改良土壤，然后进行人工播种。基质材料层铺设厚度20cm，材料主要为混合种子、木纤维、草炭土、蛭石、粘合剂、有机肥、保水剂及黄土，平米铺设量分别为：0.08（kg）、2.5（kg）、8.0（kg）、2.5（kg）、0.03（kg）、2.0（kg）、0.2（kg）、0.2（m³）。

3、第二阶段采取的人工辅助措施如下：

1）补植：三月份中下旬，树木开始萌芽，对矸石山上灌木稀疏区进行灌木补植，事先挖坑，要做到随挖、随运、随种、隨浇水以提高苗木存活率，一般补植小型灌木，树坑不宜过大，以破坏其他植被，部分补植植物采用扦插法补植。

2）寄生物种清除：如发现有外来有害寄生物种存在，必须对这些有害物种进行清除，寄生植物它们只以活的有机体为食，从绿色植物取得所需的全部或大部分养分和水分，而使寄生植物逐渐枯竭死亡。

3）灌溉：灌溉分为春灌、夏季灌溉、灌冻水及日常浇水防护。

春灌：因春季干旱多风，蒸发量大，而矸石山的保水性又差，为防止春旱，对矸石山进行春灌，提高苗木发芽率，加快植物向目标生态系统演替。

夏季灌溉浇水及日常浇水：夏季气温较高，植物需水量大，要及时浇水，日常浇水保证植物日常水分供应。

灌冻水：晚秋植物进入休眠期，土壤开始夜冻日化，在土地封冻前灌足一次冻水，对干旱、板结的土壤浇水，提高土壤浇水，提高土壤含水量，为来年植物生长提供保障，灌冻水时间掌握在霜降以后、小雪以前。

4）割草：一年期养护中，为了加速植被演替进程，构筑矸石山自燃生态系统，通过人工割草的方法，干预演替方向及进度。使用割草机将生长势强的草本植物割掉，利于灌木生长，使矸石山植物种类由草本向灌木演替。

按照以上设计经过3-5个月就可以快速形成草本植物为主的生态系统，植被覆盖度达到90%以上，经过3-5年就可以形成以乡土乔灌草为主的稳定的森林生态系统。

实施例2

本实施例2是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

1、在山西介休汾西矿务局河东矿矸石山进行近自然生态系统重建。

2、土壤改良：包括物理改良、化学改良、生物改良三种方式。通过在黄土中加入草炭土、木纤维、有机肥、保水剂、粘合剂等改良材料，促使土壤熟化，目标是形成接近自然状态的土壤结构。削坡、整形后覆盖客土200mm-300mm，采用机械（挖掘机、装载机）及人工配合（坡面人工整理）的方式进行。生物改良是利用对极端生存环境条件具有耐性的固氮植物（如胡枝子）、绿肥作物（如荞麦）、固氮微生物（如苜蓿根瘤菌）、菌根、真菌等来改善煤矸石山表层土壤理化性质的方法。实施方法为植生袋基质里配置或喷浆液配制。这种方法能够快速改善煤矸石山表层土壤结构和性质，满足植物生长的要求。

植被恢复：选择根系发达、适应性强、耐旱、耐瘠薄等抗逆性强的乡土草本、灌木植物种子。植物配置及栽植遵循以下原则：1）适地适树原则；2）乡土植物优先原则；3）边坡稳定原则；4）先锋性原则；5）生物多样性与景观多样性原则。

3、植生袋构造

生态植被袋主要利用植物纤维为原料，在载体层添加灌草种子、保水剂、营养土等生产而成，共分4层，由外向内依次为：1）尼龙纤维层（上网）；2）木浆纸层；3）植物种子层；4）无纺布层。

按照以上设计经过3-5个月就可以快速形成草本植物为主的生态系统，植被覆盖度达到90%以上，经过三年目前已经形成以乡土乔灌草为主的稳定的森林生态系统，还出现了鸟类、蛇等动物，生物多样性十分丰富。

实施例3

1、本实施例3是在山西西山煤电屯兰矿矸石山进行近自然生态系统重建。

2、在第一阶段，首先进行土壤结构及性质改良。物理改良措施有改善山体地形和客土覆盖措施，将土壤与基质混配后直接覆盖到坡体的表面，覆盖厚度10cm，这种方法能够快速改善山体表层土壤结构和性质，满足植物生长的要求，会取得很好的效果。化学改良为针对矸石山施用N、P和K等肥料，以快速的改变矸石山的养分状况，利于植物生长。生物改良是利用对极端环境条件具有耐性的固氮植物、绿肥作物、固氮微生物、菌根、真菌等来改善矸石山表层土壤理化性质的方法。本次工程包含上述措施。针对该地区的植物生长限制因子，如干旱、缺氧、强酸性，本次工程所包含的的生物改良技术主要是利用耐旱。耐酸、耐养分缺乏植物进行改良。

其次，进行植物种类选择、配置、栽植和管护。通过实地调查得知适当当地生长的植物油油松、侧柏、臭椿、刺槐、山杏、柠条、榆树、紫穗槐、皂角、二色胡枝子、荆条、羊柴、二月兰、沙打旺、波斯菊、黑心菊、紫花苜蓿、黑麦草及高羊毛等。因此选择的植物种类有紫花苜蓿、波斯菊、荆条、侧柏、紫穗槐、柠条、黑麦草等，种植方式为采用在马道（道路）排水渠与坡面之间及坡脚设置柔性护坡、坡面远程喷播、平台人工播种相结合的方式种植草本植物，乔木进行穴栽，灌木为穴栽与扦插、压枝相结合。

柔性护坡构筑方法为：坡脚铺设两层土工袋，坡体铺设1m高的植生袋，本次柔性护坡总面积1810m²。柔性护坡施工技术如下：

主要材料包括：草炭土、木纤维、有机肥、保水剂、蛭石、黄土、土工袋、植生袋；每m²用量分别为5（kg）、7（kg）、0.2（kg）、0.5（kg）、5.6（kg）、0.27（m³）、4（个）、10（个）。

装袋：装袋自然满，一墩八分实；

封口：提起拉直再缝合，缝线走锁袋口；

转运：不扔不摔，顺势借力；

码放：平起平落，错缝压茬，不瘪嘴不鼓肚；

整体效果：正看层层叠叠线线直，侧看顺坡流畅不长牙不鼓肚；

坡面远程喷播技术为：

坡面清理：对坡面进行必要的修整，剔除不稳定和明显凸出的石块，利于喷播施工的实施。

基质材料层喷射：坡面修整后，将准备好的基质材料，喷射3-5cm厚的基质层，材料主要为：木纤维、草炭土、蛭石、粘合剂、有机肥、保水剂、黄土等；平米喷射量分别为1.75（kg）、9.17（kg）、1.9（kg）、0.02（kg）、2.08（kg）、0.2（kg）、0.2（m³）。

按配方配好各种基质材料，通过液力搅拌喷射机搅拌混合，均匀地喷射到修复面上。喷射基质材料前，应先在坡面喷水湿润，以利基质材料更好的与修复面结合。喷枪应与受喷面垂直，避免仰喷，注意死角部分及凸凹部分要喷满。

种子层喷播：1）喷射含灌木种子层：采用移动式液力搅拌喷射机，用鸭嘴喷枪直接喷射，材料主要为：混合种子、木纤维、草炭土、蛭石，平米喷射量分别为0.05（kg）、1.2（kg）、4（kg）、0.6（kg）。在喷射好的基质上喷播2-3cm厚含有灌木种子配比的基质，这样可更好的保证种子发芽率。2）喷射含花、草种子木纤维覆盖物：含花、草种子的纤维浆覆盖层以特制木纤维喷播覆盖物为基础，在完成喷射播种的同时能在作业面表面形成一个网状纤维覆盖保护层，既有利于植物种子的萌芽生长，又可以减缓水分蒸发、减少雨水侵蚀。花、草种子采用木纤维浆液力搅拌喷射播种工艺，采用移动式液力搅拌喷射机，用鸭嘴喷枪直接喷射，材料主要为木纤维、粘合剂、混合种子，平米喷射量分别为0.15（kg）、0.003（kg）、0.05（kg）。

无纺布保护：从植物种子发芽前到生长发旺前的管理叫做苗期管理阶段，苗期管理主要内容是灌溉和无纺布保护，目的主要是提高种子发芽率，加快苗木生长速率。

铺设无纺布：在完成远程喷射播种植被修复技术施工后用无纺布完全覆盖，平均每平方米需铺设1.2平方米无纺布，用钢丝马丁固定接缝、周边及中间，防止风力损害。

灌溉系统：本工程采用人工浇水的方式，对植物进行水分补充。灌溉系统组成：由水源、水泵、输配水管网、喷头等部分组成。水源：由屯兰煤矿提供。

蓄水池：根据矸石山的植物措施和其他管理方面的用水规律，原有蓄水池可满足施工需求。

输配水管网：由干管、支管、软管等不同管径的管道组成，其作用是将压力水输送并分配到所需灌溉的绿地区域。灌溉系统管材采用不同管径塑料管。

第二阶段中主要为人工促进生态演替措施，包括：1）补植。三月份中下旬，树木开始萌芽，对矸石山上灌木稀疏区进行灌木补植，事先挖坑，要做到随挖、随运、随种、随浇水以提高苗木存活率，一般补植小型灌木，树坑不宜过大，以破坏其他植被，部分补植植物采用扦插法补植。2）寄生物种清楚。如发现有外来有害寄生物种存在，必须对这些有害物种进行清除，寄生植物它们只以活的有机体为食，从绿色植物取得所需的全部或大部分养分和水分，而使寄生植物逐渐枯竭死亡。3）灌溉。灌溉分为春灌、夏季灌溉、灌冻水及日常浇水防护。春灌：因春季干旱多风，蒸发量大，而矸石山的保水性又差，为防止春旱，对矸石山进行春灌，提高苗木发芽率，加快植物向目标生态系统演替。夏季灌溉浇水及日常浇水：夏季气温较高，植物需水量大，要及时浇水，日常浇水保证植物日常水分供应。灌冻水：晚秋植物进入休眠期，土壤开始夜冻日化，在土地封冻前灌足一次冻水，对干旱、板结的土壤浇水，提高土壤浇水，提高土壤含水量，为来年植物生长提供保障，灌冻水时间掌握在霜降以后、小雪以前。4）割草。一年期养护中，为了加速植被演替进程，构筑矸石山自燃生态系统，通过人工割草的方法，干预演替方向及进度。使用割草机将生长势强的草本植物割掉，利于灌木生长，使矸石山植物种类由草本向灌木演替。

按照以上设计，经过3个月矸石山形成了草本植物为主的生态系统，植被覆盖度达到90%以上，出现了昆虫、蜜蜂等动物，经过3-5年就可以形成以乡土植物为主的森林生态系统。实现生态系统的自然演替。